旋转弹质量矩控制技术与末制导技术研究

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1、旋转弹质量矩控制技术与末制导技术研究郭鹏飞2015年1月中图分类号：UDC分类号：旋转弹质量矩控制技术与末制导技术研究作者姓名郭鹏飞学院名称宇航学院指导教师杨树兴教授答辩委员会主席教授申请学位工学博士学科专业航空宇航科学与技术学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年1月MovingMassControlandTerminalGuidanceforSpinningMissilesCandidateName：PengfeiGuoSchoolorDepartment:AerospaceEngineeringFacultyMentor:Prof.ShuxingYan

2、gChair,ThesisCommittee：Prof.DegreeApplied:DoctorofPhilosophyMajor：Scie.andTech.ofAADegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：January，2015北京理工大学博士学位论文摘要质量矩控制技术是飞行器控制领域中一种新的控制方式，能够在一定程度上解决气动舵控制在稀薄大气层内控制力不足和高速飞行导弹气动外形的热载荷及其引起的舵面烧蚀等问题，可适用于再入弹头、反导拦截以及水下航行器等多种武器，具有很大的发展潜力与应用前景。然

3、而目前对质量矩控制的研究尚不够深入，距离工程应用还有很多问题需要解决。首先，需要进一步厘清质量矩控制的作用机理；其次，对于旋转弹，由于弹体旋转和内部滑块的运动，使得系统通道间存在严重的动力学耦合，可能导致弹体出现不收敛的锥形运动，需要解决强耦合和非线性综合作用下的控制系统设计；第三，为了提高毁伤效能，除了要求精确落点控制外还带有多种约束，需要研究多约束条件下的导引方法。本文首先利用多刚体建模方法建立了采用径向布局的双滑块质量矩旋转弹模型。将系统作用力和作用力矩分类，详细分析了其对导弹飞行状态变量的影响。然后通过解析形式推导了关于攻角的微分方程，说明了不同转速下质量

4、矩控制导弹产生攻角的机理。采用数值仿真分析了质量矩控制旋转弹的弹道特性，认识到滑块移动量与导弹的横向偏移量和纵向偏移量成正比，初始弹道高度以及初始弹道倾角都对质量矩控制导弹的机动能力产生影响。其次，分析了质量矩导弹无控时的动稳定条件，讨论了滑块的安装位置以及弹体自旋速度对导弹动稳定的影响。研究了带有姿态角速度反馈回路的旋转弹动态稳定性。按照慢自旋和快自旋质量矩旋转弹作用原理不同，分别推导了慢自旋和快自旋质量矩导弹的控制稳定性条件，获取了控制系统设计参数的稳定性边界，并通过数值仿真验证了其正确性。分析了活动质量块的安装位置以及弹体自旋速度对系统锥形运动的影响。对于慢

5、自旋导弹，弹体自旋速度越快，通道间的耦合越严重，使设计参数的稳定域变小；而对于快自旋导弹，弹体转速越快，惯性力矩越强，使设计参数的稳定域变大。第三，将质量矩旋转弹系统动力学模型简化为仿射型控制模型，并考虑了不确定性以及外界扰动的影响。将这个模型按照物理意义分为姿态角跟踪回路和姿态角速度跟踪回路，基于反演设计方法设计姿态控制器，为姿态角跟踪回路设计常规滑模控制律，为姿态角速度跟踪回路设计了二阶终端滑模控制律，针对大范围变化的系统参数I北京理工大学博士学位论文设计了自适应控制律，增加了系统对非线性、不确定性以及外界扰动的处理能力。仿真结果表明该姿态控制器具有良好的稳定

6、性和鲁棒性。最后，研究了满足落角要求并带有末端法向过载控制指令限制等多约束条件的制导律。推导了考虑舵机环节以及重力等非线性环节的导弹运动微分方程组，并基于带有控制指令限制的MPSP方法设计了可实现多终端约束的在线非线性制导律。仿真表明了该多约束制导律的有效性和优越性，而且得出了猜测控制量下的输出与系统所希望输出的差值越大，在线计算时间越长的结论。因此，采用了一种改变猜测初值的方法来减少在线计算时间。关键词：质量矩控制技术；旋转弹；锥形运动稳定性；反演滑模；多约束制导律II北京理工大学博士学位论文AbstractMovingmasscontrol(MMC)isane

7、wcontrolmethodincontrolfield.Itisapotentialwaytosolvetheproblemofaerodynamicruddercontrolinsufficiencycausedbythelowdensityofupperatmosphere,toreducethehighspeedmissileaerodynamicthermalloadandtosolvetheproblemofruddersurfaceablation.Itcanbeappliedtothereentryvehicle,kinetickillinterc

8、eptor